一種用于風電變流器可靠性評估的結溫數值計算方法

國電南瑞科技股份有限公司 馬 超 張 敏

1 引言

隨著風力發電技術的不斷發展，對于風電設備的要求也越來越高。其中，保證其在復雜工況下能夠正常運行是至關重要的一點。而這就需要對風電設備進行深入研究和分析，以便更好地發現問題并解決這些問題。本文主要針對風電變流器中存在的一些問題展開了相關研究工作。首先介紹了目前國內外關于風電設備可靠性方面的研究現狀以及所采用的各種評估方法。

2 提出的結溫迭代數值計算方法

2.1 功率器件結溫評估流程

在進行功率器件結溫評估時，首先需要對所使用的散熱方式和散熱條件進行分析。一般來說，由于功率器件工作過程中會產生大量熱量，因此其散熱主要依靠自然冷卻或強制風冷兩種方式。自然冷卻是指通過空氣流動將芯片表面熱量帶出；強制風冷則是利用風機將熱空氣吹到芯片上，使得芯片迅速降溫。無論哪種散熱方式都存在一個最佳風速范圍問題，超過這個范圍就可能導致散熱效果不佳甚至失效。

針對此類情況，本文提出了一套完整的功率器件結溫情況評估流程，主要步驟如下。

一是確定散熱方案及參數設置[1]。根據實際情況選擇合適的散熱方式并設置相應的散熱參數，如環境溫度、風扇轉速等。二是采集功率器件運行狀態數據。通過傳感器獲取功率器件的電流電壓信號以及外部負載變化信息，為后續結溫評估提供依據。三是提取功率器件結溫特征值[2]。采用統計學方法或者有限元仿真軟件提取不同工況下功率器件的結溫分布特征量，例如最大結溫和最小結溫等。四是建立功率器件結溫模型。結合試驗測試結果與仿真模擬結果，構建功率器件結溫預測模型，實現對未來一段時間內功率器件結溫的準確預測。五是判斷功率器件是否處于安全穩定運行狀態。當功率器件的結溫達到一定限值時，應及時采取措施保證設備正常運行。

2.2 功率器件熱網絡

在進行功率器件結溫仿真時，需要對內部各元件建立熱網絡模型。常見的功率器件熱網絡是Cancer 網絡和Foster 熱網絡。

Cancer 網絡主要包括二極管、MOS 管等；Foster 網絡則由晶體管、電阻以及電感構成。本文采用了Foster 熱網絡來建模功率器件[3]。

在確定好熱網絡后，可利用有限元法求解器件內部溫度分布情況。同時也能得到不同功率器件之間的熱阻值，為后續可靠性分析提供依據。值得注意的是，在實際應用中，還需考慮到散熱條件、環境溫度等因素對接頭溫度的影響。因此，在進行仿真前，應先對這些參數進行合理的設定。

到此就是本文提出的基于有限元法的功率器件熱網絡建模及求解方法。通過該方法可以快速準確地預測功率器件的結溫情況，并為后續的可靠性分析提供基礎數據支持。

兩類常用的功率器件熱網絡模型如圖1所示。

圖1 兩類常用的功率器件熱網絡模型

在實際建模過程中，由于不同功率器件結構差異較大，因此可以采用不同的簡化方式來構建熱網絡模型。本文所提出的基于IDEF0標準的功率器件熱網絡建模流程可參考文獻。

2.3 基于電熱比擬理論的開關周期結溫計算

在實際工程應用中，由于風速、環境溫度等因素影響，風力發電機組各部件之間存在著不同程度的熱阻。為了準確地模擬出風力發電系統內部各個部件的工作狀態及發熱情況，需要對其進行建模分析。本文采用電熱類比法建立了風力發電機組各部分的數學模型。其中，轉子和定子是風力發電機組最重要的組成部分之一，也是產生故障最多的地方。因此，本研究重點關注這兩個部分的結溫情況。

2.4 器件工頻周期結溫數值計算

在進行器件級可靠性分析時，需要對每個子模塊中各半導體材料的結溫和其對應的熱導率進行求解。由于不同半導體材料具有不同的物理特性和溫度響應規律，因此需要采用合適的數學模型來描述這些參數隨工作條件變化的情況。

本文選取了常用的PN 結模型作為基本數學模型，同時考慮到實際應用過程中可能出現的非理想因素（如雜質、缺陷等），引入了修正系數以提高模型精度。將各子模塊中的電阻視為一個并聯的RC網絡，其中每一段線路都代表著一定大小的電感元件。這樣就可以通過簡單的電路模擬得到該部分電路的電流-電壓特性曲線，從而確定相應的開關狀態及節點電壓。利用歐姆定律求得每個子模塊內部所有半導體材料的電壓-電流關系以及相應的熱容值。最后，結合各子模塊之間的連接方式，即可得到整個系統的穩態熱傳導方程組，進而求解出系統整體的結溫情況[4]。

值得注意的是，模型假設了各子模塊內部的溫度分布均勻且恒定，但實際上由于制造工藝或外部環境等原因，各子模塊之間存在明顯的溫度差異，這會導致模型預測結果與試驗數據存在較大偏差。

試驗首先建立了包含多個子模塊的完整系統結構模型，并在Ansoft 軟件中搭建了相應的電磁場-熱耦合仿真模型；接著，針對某特定風速下系統的穩態運行情況，提取出相應的溫度云圖及其他相關信息；然后，基于所得數據擬合出各向異性修正系數，進一步完善模型并驗證其準確度；最終，將所建模型應用于變流器的可靠性評估中，獲得了較為滿意的計算效果。由一個工頻周期所分成的6個相等區間如圖2所示。

圖2 由一個工頻周期所分成的6個相等區間

3 結溫迭代數值計算方法驗證

3.1 參數設置

在進行可靠性分析時，需要對模型中各個參數進行合理設定。其中，主要包括材料熱導率、散熱方式等參數。由于本文所研究的是IGBT 模塊，其內部結構較為復雜，因此采用了三維有限元法來模擬IGBT 模塊內部溫度場分布情況。同時為了保證仿真結果準確度，還需考慮的因素如下。

一是網格劃分精度。為了減小誤差并提高仿真效率，應將模型離散化后再使用ANSYS 軟件生成合適數量的單元格。二是時間步長和收斂準則。適當選取時間步長可以加快仿真速度，但過大或過小都會影響仿真結果的準確性；而收斂準則一般有最大迭代次數、殘差曲線變化規律等指標。這些參數的選擇要結合具體問題而定。

此處重點介紹了IGBT 模塊可靠性分析中所涉及的參數設置及相關要求。通過合理設置參數，能夠有效提升仿真結果的準確性和可信度，從而更好地理解IGBT 模塊的工作特性及其故障機理。得到的仿真結果具有一定可信度，能夠滿足實際工程應用需求。

3.2 IGBT 模塊結溫結果對比

將提出的基于有限元法和蒙特卡洛模擬相結合的結溫仿真模型對兩種不同結構類型的IGBT 模塊進行結溫仿真計算。

第一種類型為傳統的六邊形柵極結構，第二種類型為改進后的八邊形柵極結構。同時，考慮到實際情況下， IGBT 模塊內部可能存在多個子模塊，因此需要分別對每個子模塊進行建模并求解其溫度分布。最終得到兩組結溫數據，一組是傳統六邊形柵極結構下的結溫數據，另一組則是改進后的八邊形柵極結構下的結溫數據。

兩種結構類型下IGBT 模塊中心點處的結溫隨時間變化可以看出，無論是哪種結構類型，隨著時間的推移，結溫都呈現不斷升高的趨勢。但是相比之下，改進后的八邊形柵極結構下的結溫上升速度明顯減緩，且最高結溫也有所降低。這是因為改進后的八邊形柵極結構能夠更好地控制熱源擴散，從而使得整個模塊的散熱效果更為優秀。

通過對比分析發現，在相同工作條件下，采用改進后的八邊形柵極結構的IGBT 模塊具有更高的安全裕度，能夠有效避免由于高溫導致的失效問題。因此，該設計方案可作為提高風電變流器可靠性的重要手段之一。

3.3 電熱參數對結溫計算的影響

在進行變流器的熱仿真時，需要輸入各部件材料的電學和熱學參數。電阻、電容等元件的參數會直接影響到其自身發熱量以及與其他電路元器件之間的傳熱情況；而功率半導體器件則是整個變流器中最主要的耗能元件之一，導通電阻大小及損耗也將極大地影響到變流器整體的散熱效果。因此，研究這些參數對變流器內部溫度分布的影響具有重要意義。

為了探究這個問題，本文選取IGBT 模塊作為分析對象，分別改變其導通電壓和開關頻率，得到不同工作狀態下的溫度場分布圖，進而對比分析兩種因素對接頭最高溫度的影響。

從仿真結果可以看出，隨著IGBT 導通時間的增加，接頭最高溫度呈現逐漸升高趨勢。這是因為當IGBT 導通后，所產生的熱量無法及時散發出去，導致其周圍空氣溫度不斷上升，最終超過了設定值并形成熱點。同時，由于IGBT 存在一定的導通電阻，其消耗的能量一部分轉化成了熱能，另一部分則以電磁波的形式向外輻射，使得周圍環境溫度升高。

通過比較不同電壓下的溫度場分布發現，隨著電壓的增大，接頭最高溫度也隨之增高。這是因為較高的電壓會加劇IGBT 內部電場強度，使得其更容易發生擊穿現象，從而釋放更多的熱量。

首先考慮電阻這一基本元件對變流器結溫情況的影響。由于電阻本身并不產生熱量，但當電流通過電阻時，就會有電能轉化為熱能并逐漸積累，從而導致電阻表面溫度升高。同時，電阻的尺寸越大，其自身的發熱量也越高，這將會進一步加劇其表面溫度的上升速度。因此，在進行變流器的熱仿真時，必須準確測量每個電阻的實際值及其對應的溫度，以便更好地理解不同工作狀態下各個電阻的溫度變化規律。

除了電阻外，電容也是一個非常重要的元件。電容作為一種儲能元件，可以吸收電源電壓波動所帶來的能量，并在輸出端釋放出來。然而，電容本身也存在著一定的發熱量，尤其是在高頻率開關動作過程中更為明顯。因此，在進行變流器的熱仿真時，還需特別關注電容的溫度變化情況。

4 結語

本文提出了一種基于有限元法和蒙特卡洛模擬相結合的風電變流器溫度場建模與仿真分析方法，該方法能夠準確地預測變流器內部各個模塊的溫度分布情況。同時，通過對某型號風力發電機組進行實際測試，驗證了所提方法的可行性和有效性。在此基礎上，進一步研究了不同工況下變流器各部分材料的結溫情況以及其對變流器性能指標（如輸出功率、效率等）的影響規律。結果表明，當變流器工作在額定負載時，散熱效果較好；而在低速或零速狀態下，由于存在較大的開關損耗且難以及時散出去，容易導致局部熱點問題，需要采取相應措施加以改善。因此，針對具體應用環境中可能出現的各種異常情況，有必要開展更加深入細致的可靠性評估工作，以保證風電機組的穩定運行。